JP2010162673A - Method for arranging nanostructure, method for preparing nanodevice, and substrate for nanodevice preparation - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ナノワイヤやナノロッドその他のナノ構造体を電極ギャップに配列するナノ構造体の配列方法と、その方法を応用したナノデバイスの作製方法及びナノデバイス作製用基板に関する。 The present invention relates to a nanostructure arraying method in which nanowires, nanorods, and other nanostructures are arrayed in an electrode gap, a nanodevice manufacturing method to which the method is applied, and a nanodevice manufacturing substrate.
近時、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノロッドその他の一次元的なナノ構造体を製造することができるようになり、例えばZnOナノワイヤの製法として、非特許文献1乃至4が知られている。それに伴い、ナノ構造体を用いたナノデバイスが研究開発されている。 Recently, nanotubes, nanowires, nanorods and other one-dimensional nanostructures can be manufactured. For example, Non-Patent Documents 1 to 4 are known as methods for producing ZnO nanowires. Accordingly, research and development of nanodevices using nanostructures is underway.
一方、誘導泳動(dielectrophoresis:DEP)現象、即ち、粒子等の分散質を溶液等の分散媒に分散してなる分散体(「分散系」ともいう。)に電界を加えると、分散媒と分散質との分極率の相違により誘起双極子モーメントが発生し、分散質の両側に形成される電界強度の差は誘起双極子が及ぼす力の差となり、粒子等の分散質に力が作用する現象が知られている。分散質が線状分子である場合には誘導泳動により線状分子が伸長することが知られている。この誘導泳動現象を用いることによって、細胞のマニピュレーションやパターニング(例えば特許文献1)、対向する電極に対しDNAを垂直方向に配向する研究例(例えば非特許文献5)がある。また、AFM探針としてナノワイヤの一端を固定する際、正の誘電泳動を利用することが注目されている(例えば非特許文献6乃至7)。例えば、ピークツーピーク電圧10V、周波数2MHzの正の誘導泳動パルス電圧により、AFM探針とCNT(Carbon nanotube)とが良好に結合すると報告されている。このように、ナノ構造体の一端を固定する場合に、正の誘電泳動を用いることは有効と考えられる。 On the other hand, when an electric field is applied to a dispersion (also referred to as “dispersion system”) in which a dispersoid such as particles is dispersed in a dispersion medium such as a solution, the electrophoretic (DEEP) phenomenon, that is, the dispersion medium and the dispersion medium are dispersed. Induced dipole moment is generated by the difference in polarizability from the quality, and the difference in electric field strength formed on both sides of the dispersoid becomes the difference in force exerted by the induced dipole, and the force acts on the dispersoid such as particles. It has been known. When the dispersoid is a linear molecule, it is known that the linear molecule is elongated by induction electrophoresis. There are research examples (for example, Non-Patent Document 5) in which DNA is oriented in the vertical direction with respect to opposing electrodes by using this induced electrophoresis phenomenon for cell manipulation and patterning (for example, Patent Document 1). Further, attention has been focused on using positive dielectrophoresis when fixing one end of a nanowire as an AFM probe (for example, Non-Patent Documents 6 to 7). For example, it is reported that an AFM probe and a CNT (Carbon nanotube) are well coupled by a positive induced electrophoresis pulse voltage having a peak-to-peak voltage of 10 V and a frequency of 2 MHz. Thus, it is considered effective to use positive dielectrophoresis when fixing one end of the nanostructure.
電極ギャップ間にナノワイヤを配置する例として、例えば特許文献9においては、カーボンナノチューブ(CNT)懸濁液を30μリットル滴下し、一対の電極間にピークツーピーク電圧2V、周波数300kHzでDEPパルスを6分間印加して、約1μmの電極ギャップにCNTを配置することに成功し、単一ナノワイヤデバイスを製造している。また、特許文献10では、マルチチャンネルデバイスの応用例として400対の電極を有するデバイスにおいて、90%以上CNTナノワイヤを接合したことが報告されている。 As an example of arranging nanowires between electrode gaps, for example, in Patent Document 9, 30 μl of a carbon nanotube (CNT) suspension is dropped, and 6 DEP pulses are applied between a pair of electrodes at a peak-to-peak voltage of 2 V and a frequency of 300 kHz. It has been successfully applied for a minute to place CNTs in an electrode gap of about 1 μm, producing a single nanowire device. Patent Document 10 reports that 90% or more of CNT nanowires are bonded in a device having 400 pairs of electrodes as an application example of a multi-channel device.
しかしながら、特許文献1や非特許文献5に開示された手法では、一本のナノ構造体を選択的に配向し、かつ電極ギャップに捕捉することはできなかった。しかも、FET(Field Effect Transistor)型をはじめとするナノデバイスでは、ナノ構造体の各端部を互いに異なる電極と接合する必要がある。そうしないと、ナノ構造体、例えばナノワイヤのキャリア、即ち電子や正孔の伝導特性により種々の論理回路やセンシングデバイスを構築することができないからである。 However, according to the methods disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 5, one nanostructure cannot be selectively oriented and captured in the electrode gap. Moreover, in nanodevices such as FET (Field Effect Transistor) type, it is necessary to join each end of the nanostructure to different electrodes. Otherwise, various logic circuits and sensing devices cannot be constructed due to the conduction characteristics of nanostructures such as nanowire carriers, that is, electrons and holes.
誘電泳動力に基いて微粒子を捕捉することは今やごく一般的な手法となりつつあるのに対し、ナノワイヤ、ナノロッドなどのナノ構造体の各端部をそれぞれ同時に捕捉することは確率的に非常に困難である。つまり、誘導泳動パルス電圧を電極間に印加することで、この電極間にナノ構造体を確実に配置することは難しく、ナノ構造体を利用した各種ナノデバイスの製造効率が低下するばかりか、一定の品質が維持できないという問題がある。 Capturing microparticles based on dielectrophoretic force is now becoming a very common technique, but it is stochastically very difficult to capture each end of nanostructures such as nanowires and nanorods simultaneously It is. In other words, applying an inductive electrophoresis pulse voltage between electrodes makes it difficult to reliably place nanostructures between the electrodes, which not only reduces the manufacturing efficiency of various nanodevices using nanostructures, but is also constant. There is a problem that the quality of can not be maintained.
特許文献9に開示された方法では、誘導泳動力が弱いため電極のギャップが1μm未満と比較的短い場合にしか適用することができず、誘導泳動パルス電圧の印加時間も6分間と比較的長い。誘導泳動パルス電圧の印加時間が長いと、誘導泳動パルスがナノワイヤの電気化学反応や化学変化を促進するためナノワイヤが劣化するおそれがある。よって、デバイスの性能品質が悪くなる。しかも、特許文献9においては、単一ナノワイヤを配列する際の成功率は3/18に留まっていると説明されており、生産性が悪い。 The method disclosed in Patent Document 9 is applicable only when the electrode gap is relatively short, less than 1 μm, because the electrophoretic force is weak, and the application time of the electrophoretic pulse voltage is also relatively long at 6 minutes. . If the application time of the inductive electrophoresis pulse voltage is long, the inductive electrophoretic pulse promotes the electrochemical reaction or chemical change of the nanowire, so that the nanowire may be deteriorated. Therefore, the performance quality of the device is deteriorated. Moreover, Patent Document 9 describes that the success rate when arranging single nanowires remains at 3/18, and the productivity is poor.
特許文献10では、単一ナノワイヤが誘電泳動により2つの電極間のギャップに配置されると2つの電極近傍の電界勾配が変化し、2本目以降のナノワイヤに対し斥力が働くようになる、と説明されている。しかしながら、本発明者らが同様な実験をしたところそのような現象は観測されず、電極のギャップに複数のナノワイヤが配置されてしまった。また特許文献10で説明されている現象は、一般的なものとは言えない。 Patent Document 10 explains that when a single nanowire is arranged in the gap between two electrodes by dielectrophoresis, the electric field gradient in the vicinity of the two electrodes changes and repulsive force acts on the second and subsequent nanowires. Has been. However, when the inventors conducted a similar experiment, such a phenomenon was not observed, and a plurality of nanowires were arranged in the gap of the electrodes. Further, the phenomenon described in Patent Document 10 is not general.
そこで、本発明では、ナノ構造体を確実に電極ギャップに配置することができる、ナノ構造体の配列方法と、それを用いたナノデバイスの作製方法及びナノデバイス作製用基板とを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a method for arranging nanostructures, a method for producing nanodevices using the same, and a substrate for producing nanodevices, which can reliably arrange the nanostructures in the electrode gap. Objective.
本発明者らは、鋭意研究を重ね、ナノワイヤやナノロッドなどのナノ構造体を2点で同時に捕捉することができるよう、ナノ構造体をその2点を結ぶ線と並行となるよう予め配向させておくことにより、ナノワイヤやナノロッドなどのナノ構造体を2電極間に捕捉する効率が大幅に向上すると考えた。そして、ナノ構造体が層流内を移動する際に、ナノ構造体の長軸方向が移動方向に並行になるよう配向する現象に着目した。すなわち、ナノワイヤやナノロッドなどのナノ構造体を予め配向させておくためにマイクロサイズの幅を有する流路(「マイクロ流路」と呼ぶ。)を用い、マイクロ流路と誘導泳動とを用いることがナノ構造体を電極間に配列するために極めて有効であることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。 The inventors of the present invention have conducted extensive research and previously orienting the nanostructure in parallel with the line connecting the two points so that nanostructures such as nanowires and nanorods can be simultaneously captured at the two points. It was considered that the efficiency of capturing nanostructures such as nanowires and nanorods between the two electrodes would be greatly improved. Then, when the nanostructure moves in the laminar flow, attention is paid to a phenomenon in which the major axis direction of the nanostructure is aligned in parallel with the moving direction. That is, in order to orient nanostructures such as nanowires and nanorods in advance, a channel having a micro-size width (referred to as “microchannel”) is used, and a microchannel and induction electrophoresis are used. The inventors have found that it is extremely effective for arranging nanostructures between electrodes, and have completed the present invention.
本発明におけるナノ構造体の配列方法は、間隔を開けて設けられている第1の電極と第2の電極との間に交番電界を形成しながら、第1の電極及び第2の電極の配列方向に沿って画成されている流路に対し、複数のナノ構造体が混入している分散体を流すことにより、第1の電極と第2の電極とを跨ぐようにナノ構造体を配列することを特徴とする。
上記構成において、第1の電極のうち第2の電極側の端部は先端になるにつれて幅が細くなっており、かつ第2の電極のうち第1の電極側の端部は先端になるにつれて幅が細くなっていることが好ましい。
In the method for arranging nanostructures according to the present invention, the first electrode and the second electrode are arranged while an alternating electric field is formed between the first electrode and the second electrode which are provided at intervals. The nanostructures are arranged so as to straddle the first electrode and the second electrode by flowing a dispersion in which a plurality of nanostructures are mixed in the flow path defined along the direction. It is characterized by doing.
In the above configuration, the end of the first electrode on the second electrode side becomes narrower as it becomes the tip, and the end of the second electrode on the first electrode side becomes the tip. The width is preferably narrow.
本発明におけるナノデバイスの作製方法は、基体上に第1の電極と第2の電極とを間隔を開けて形成するステップと、基体上に第1の電極と第2の電極との配列方向に沿って流路を設けるステップと、第1の電極と第2の電極との間に交番電圧を印加しながら複数のナノ構造体が混入した分散体を流路に流し、ナノ構造体を誘導泳動により第1の電極と第2の電極との間に捕捉し、第1の電極と第2の電極とを跨ぐようにナノ構造体を配置するステップと、を含むことを特徴とする。
上記構成において、さらに、流路を画成する流路形成部を取り外すステップと、ナノ構造体の一方の端部及び第1の電極上に第1の導通用電極を形成し、ナノ構造体の他方の端部及び第2の電極上に第2の導通用電極を形成するステップと、を含むことが好ましい。
上記構成において、第1の電極のうち第2の電極側の端部は先端になるにつれて幅が細くなっており、かつ第2の電極のうち第1の電極側の端部は先端になるにつれて幅が細くなっていることが好ましい。
In the method for producing a nanodevice in the present invention, a step of forming a first electrode and a second electrode on a substrate with a space therebetween, and an arrangement direction of the first electrode and the second electrode on the substrate. A flow path along the flow path, and a dispersion in which a plurality of nanostructures are mixed is applied to the flow path while applying an alternating voltage between the first electrode and the second electrode. Capturing between the first electrode and the second electrode, and disposing the nanostructure so as to straddle the first electrode and the second electrode.
In the above configuration, the step of removing the flow path forming portion that defines the flow path, and forming the first conductive electrode on one end of the nanostructure and the first electrode, Forming a second conducting electrode on the other end and the second electrode.
In the above configuration, the end of the first electrode on the second electrode side becomes narrower as it becomes the tip, and the end of the second electrode on the first electrode side becomes the tip. The width is preferably narrow.
本発明におけるナノデバイス作製用基板は、基体と、基体上に設けられた第1の電極と、基体上において第1の電極と間隔を開けて設けられた第2の電極と、第1の電極及び第2の電極の隙間であってナノ構造体が配列されるべき方向に沿って流路を画成する流路形成部と、を有することを特徴とする。
上記構成において、第1の電極と第2の電極との間にはナノ構造体が配置されてもよい。
The substrate for producing a nanodevice according to the present invention includes a base, a first electrode provided on the base, a second electrode provided on the base at a distance from the first electrode, and a first electrode And a flow path forming portion that defines a flow path along the direction in which the nanostructures are to be arranged, which is a gap between the second electrodes.
In the above structure, a nanostructure may be disposed between the first electrode and the second electrode.
本発明におけるナノ構造体の配列方法によれば、第1の電極と第2の電極とのギャップに対し平行に設けられている流路に沿ってナノ構造体を分散媒により輸送することにより予めナノ構造体の配向を制御しておき、2つの電極間に交番電圧を印加することで誘導泳動によりナノ構造体を電極間に確実に捕捉することができる。即ち、流路と誘導泳動を用いることによって電極ギャップ間に効率良くかつ確実にナノ構造体を配列することができる。 According to the method for arranging nanostructures in the present invention, the nanostructures are transported in advance by a dispersion medium along a flow path provided in parallel to the gap between the first electrode and the second electrode. By controlling the orientation of the nanostructure and applying an alternating voltage between the two electrodes, the nanostructure can be reliably captured between the electrodes by induction electrophoresis. That is, the nanostructures can be efficiently and reliably arranged between the electrode gaps by using the flow path and the induction electrophoresis.
本発明によるナノデバイスの作製方法によれば、第1の電極と第2の電極とのギャップに対して平行に流路を設け、ナノ構造体を含んだ分散体を流路口から導入し、流路に沿ってナノ構造体を分散媒により輸送し、第1の電極と第2の電極との間に交番電圧を印加することで誘導泳動を生じさせることにより第1の電極と第2の電極との間にナノ構造体を確実に捕捉する。このように流路と誘電泳動とを用いることによって、第1の電極と第2の電極との間に跨るようにナノ構造体を効率良くかつ確実に配列することができる。また、ナノ構造体の両端部において電気的導通を確保することで半導体デバイスや各種センシングデバイスを作製することができる。 According to the method for producing a nanodevice according to the present invention, a flow path is provided in parallel to the gap between the first electrode and the second electrode, a dispersion containing a nanostructure is introduced from the flow path port, The first electrode and the second electrode are produced by transporting the nanostructure along the path by a dispersion medium and causing an induced migration by applying an alternating voltage between the first electrode and the second electrode. The nanostructure is reliably captured between the two. By using the flow path and the dielectrophoresis as described above, the nanostructures can be efficiently and reliably arranged so as to straddle between the first electrode and the second electrode. Moreover, a semiconductor device and various sensing devices can be produced by ensuring electrical continuity at both ends of the nanostructure.
本発明によるナノデバイス作製用基板によれば、第1の電極と第2の電極とがギャップを有するようにそれらの配列方向に沿って流路が形成されているため、この流路にナノ構造体を含んだ分散体を導入することで、第1の電極と第2の電極とに跨るように単一のナノ構造体を効率良く配置することができ、単一ナノデバイスの生産性が向上し、単一ナノデバイスの生産コストを低減することができる。 According to the substrate for producing a nanodevice according to the present invention, the flow path is formed along the arrangement direction so that the first electrode and the second electrode have a gap. By introducing a dispersion containing a body, a single nanostructure can be efficiently arranged across the first electrode and the second electrode, and the productivity of a single nanodevice is improved. In addition, the production cost of a single nanodevice can be reduced.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について幾つか説明するが、以下に説明するものは本発明の趣旨を変更しない範囲で適宜変更することができ、それも本発明の範囲に含まれる。 Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, what is described below can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention, and is also included in the scope of the present invention. .
〔ナノ構造体の配列方法〕
本発明の一実施形態に係るナノ構造体の配列方法について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るナノ構造体の配列の際に用いられるナノ構造体配列チップ10を示し、(A)は平面図、(B)は正面図である。
ここで、ナノ構造体の配列方法とは、例えば、図1に示すように、基体13上において第1の電極11と第2の電極12とが隙間を有するように同軸上に、即ち平面視で同一線上に形成されている場合、第1の電極11と第2の電極12とに、ナノロッド、ナノワイヤなどの一次元ナノ構造体を跨ぐように配置するための手法である。第1の電極11及び第2の電極12において、互いに対向する先端部11a,12aが端になるに伴い線幅が狭く細くなっていることが好ましい。これは、後述するように、第1の電極11及び第2の電極12に交番電圧を印加すると電界強度が先端部11a,12aの近傍で強くなるからである。図示の場合、第1の電極11の先端部11a及び第2の電極12の先端部12aは何れも平面視で三角形状に突出しているが、尖端状になっていればそれ以外の形状であってもよい。
ナノ構造体配列チップ10は、図1(A)及び図1(B)に示すように、第1の電極11及び第2の電極12の隙間、即ちギャップに平行になるように流路17、好ましくはマイクロサイズの幅を有する流路17が形成されている。即ち、同軸上に形成されている第1の電極11及び第2の電極12を挟み、かつ、第1の電極11と第2の電極12とを結ぶ方向に平行になるよう流路17が形成されている。詳細には、基体13上に第1の電極11と第2の電極12とが所定のギャップを隔てて配置されており、さらに、第1の電極11と第2の電極12とのギャップと平行に流路17が設けられている。この流路17は、基体13上であって、かつ第1の電極11及び第2の電極12の配列方向に沿って平行に第1の流路形成部15と第2の流路形成部16とがそれぞれ対向するよう、第1の電極11及び第2の電極12の同軸を挟んで第1の流路形成部15と第2の流路形成部16とが配置されている。第1の流路形成部15と第2の流路形成部16とにより流路17が画成されている。なお、第1の流路形成部15と第2の流路形成部16とで画成される流路17には第1の電極11及び第2の電極12から離れた位置にインレット及びアウトレット(何れも図示せず)が形成されている。インレット及びアウトレットは、基体13及び14の上下面に対して直交し、かつ流路17の延びる方向で互いに対向するように設けられてもよく、またインレットは鉛直上方に位置する基体14の上面に設け、アウトレットは鉛直下方に位置する基体13の下面に設けるようにしてもよい。なお、図1(A)及び図1(B)に示す形態では、第1の流路形成部15及び第2の流路形成部16は基体13と基体14とで挟まれて別々に配置されているが、これに限らず、後述するように、流路17に対して直交する断面がコ字状の一つの流路形成部で構成されていてもよい。
[Method for arranging nanostructures]
A method for arranging nanostructures according to an embodiment of the present invention will be described.
1A and 1B show a nanostructure array chip 10 used for arraying nanostructures according to an embodiment of the present invention, where FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a front view.
Here, the arrangement method of the nanostructures is, for example, as shown in FIG. 1, on the base 13 so that the first electrode 11 and the second electrode 12 have a gap on the same axis, that is, in plan view. In this case, the first electrode 11 and the second electrode 12 are arranged so as to straddle a one-dimensional nanostructure such as a nanorod or a nanowire. In the first electrode 11 and the second electrode 12, it is preferable that the line width becomes narrower and narrower as the tip portions 11a and 12a facing each other become ends. This is because, as will be described later, when an alternating voltage is applied to the first electrode 11 and the second electrode 12, the electric field strength increases in the vicinity of the tip portions 11a and 12a. In the case shown in the drawing, the distal end portion 11a of the first electrode 11 and the distal end portion 12a of the second electrode 12 both project in a triangular shape in plan view, but if they are pointed, they have other shapes. May be.
As shown in FIGS. 1 (A) and 1 (B), the nanostructure array chip 10 has a flow path 17 so as to be parallel to the gap between the first electrode 11 and the second electrode 12, that is, the gap. Preferably, a channel 17 having a micro-sized width is formed. That is, the flow path 17 is formed so as to sandwich the first electrode 11 and the second electrode 12 formed on the same axis and to be parallel to the direction connecting the first electrode 11 and the second electrode 12. Has been. Specifically, the first electrode 11 and the second electrode 12 are disposed on the base 13 with a predetermined gap therebetween, and further, parallel to the gap between the first electrode 11 and the second electrode 12. A flow path 17 is provided in the front. The flow path 17 is on the base 13 and in parallel with the arrangement direction of the first electrode 11 and the second electrode 12, the first flow path forming section 15 and the second flow path forming section 16. The first flow path forming part 15 and the second flow path forming part 16 are arranged with the first electrode 11 and the second electrode 12 in between so as to face each other. A flow path 17 is defined by the first flow path forming section 15 and the second flow path forming section 16. Note that the flow path 17 defined by the first flow path forming section 15 and the second flow path forming section 16 has an inlet and an outlet (at the position away from the first electrode 11 and the second electrode 12). Neither is shown). The inlet and the outlet may be provided so as to be orthogonal to the upper and lower surfaces of the base bodies 13 and 14 and to face each other in the direction in which the flow path 17 extends, and the inlet is formed on the upper face of the base body 14 positioned vertically upward. The outlet may be provided on the lower surface of the base 13 positioned vertically below. In the form shown in FIGS. 1A and 1B, the first flow path forming portion 15 and the second flow path forming portion 16 are sandwiched between the base body 13 and the base body 14 and arranged separately. However, the present invention is not limited to this, and as will be described later, the cross section orthogonal to the flow path 17 may be configured by a single flow path forming portion having a U-shape.
ここで、第1の電極11は第1の流路形成部15に平行な線状で成り、先端部11aと逆側の端部11bにおいて第1の外部接続電極18と交差して結合している。第1の外部接続電極18は基体13上に流路17と交差、図示する例では直交して第1の流路形成部15の外側まで線状に延びている。
第2の電極12は第2の流路形成部16に平行な線状で成り、先端部12aと逆側の端部12bにおいて第2の外部接続電極19と交差して結合している。第2の外部接続電極19は基体13上に流路17と交差、図示する例では直交して第2の流路形成部16の外側まで延びている。
第1の電極11と第1の外部接続電極18とは同一の金属層で構成され、第2の電極12と第2の外部接続電極19とは同一の金属層で構成されている。ここで、各金属層は、ガラス基板や石英基板でなる基体13上にチタン等の密着層と電極層との積層構造でなっていることが好ましい。
図1(A)及び図1(B)に示す形態では、第1の外部接続電極18と第2の外部接続電極19とは流路17に対して交差しかつそれぞれ逆方向に延びているが、流路17に対し交差しかつ何れも同じ方向に延びていてもよい。
Here, the first electrode 11 is formed in a linear shape parallel to the first flow path forming portion 15, and crosses and is coupled to the first external connection electrode 18 at the end portion 11 b opposite to the tip end portion 11 a. Yes. The first external connection electrode 18 extends linearly to the outside of the first flow path forming portion 15 so as to intersect with the flow path 17 on the base 13, and orthogonally in the illustrated example.
The second electrode 12 is formed in a linear shape parallel to the second flow path forming portion 16, and crosses and is coupled to the second external connection electrode 19 at the end portion 12 b opposite to the tip end portion 12 a. The second external connection electrode 19 extends to the outside of the second flow path forming portion 16 on the base 13 so as to intersect with the flow path 17 and orthogonally cross in the illustrated example.
The first electrode 11 and the first external connection electrode 18 are composed of the same metal layer, and the second electrode 12 and the second external connection electrode 19 are composed of the same metal layer. Here, each metal layer preferably has a laminated structure of an adhesion layer made of titanium or the like and an electrode layer on a base 13 made of a glass substrate or a quartz substrate.
In the embodiment shown in FIGS. 1A and 1B, the first external connection electrode 18 and the second external connection electrode 19 intersect the flow path 17 and extend in opposite directions, respectively. , Which intersects the flow path 17 and may extend in the same direction.
第1の外部接続電極18の外側端部18aと第2の外部接続電極19の外側端部19aとは、図示しない電源に配線接続される。第1の外側端部18aと第2の外側端部19aとの間に交番電圧を印加しながら、即ち第1の電極11と第2の電極12との間に交番電圧を印加しながら、ナノワイヤやナノドットなどのナノ構造体を分散媒に分散した分散体を流路17に導入する。その際、流路17に沿って流れが層流となるようにする。ここで、層流となるにはレイノルズ数Reが2000以下となっていればよい。このレイノルズ数Reは、流路幅d[m]×流体の平均流速u[ms−1])×流体の密度ρ[kg・m−3]÷流体の粘度μ[kgm−1s−1]で定義される。ナノワイヤなどのナノ構造体は、流路17と並行に配向し、その配向状態を保持したまま流路17を移動する。第1の電極11と第2の電極12との間の局所領域には交番電界が形成され、特に第1の電極11及び第2の電極12の近傍には不均一電場が形成されている。よって、電界強度の2階微分に比例する誘電泳動力がナノ構造体に作用し、ナノ構造体が第1の電極11と第2の電極12とのギャップに配列される。 The outer end 18a of the first external connection electrode 18 and the outer end 19a of the second external connection electrode 19 are connected to a power source (not shown) by wiring. While applying an alternating voltage between the first outer end 18a and the second outer end 19a, that is, while applying an alternating voltage between the first electrode 11 and the second electrode 12, the nanowire A dispersion in which a nanostructure such as a nanodot is dispersed in a dispersion medium is introduced into the flow path 17. At that time, the flow is made to be a laminar flow along the flow path 17. Here, in order to obtain a laminar flow, the Reynolds number Re only needs to be 2000 or less. This Reynolds number Re is: the flow path width d [m] × fluid average flow velocity u [ms −1 ]) × fluid density ρ [kg · m −3 ] ÷ fluid viscosity μ [kgm −1 s −1 ] Defined by Nanostructures such as nanowires are aligned in parallel with the flow path 17 and move through the flow path 17 while maintaining the alignment state. An alternating electric field is formed in a local region between the first electrode 11 and the second electrode 12, and in particular, an inhomogeneous electric field is formed in the vicinity of the first electrode 11 and the second electrode 12. Therefore, a dielectrophoretic force proportional to the second derivative of the electric field strength acts on the nanostructure, and the nanostructure is arranged in the gap between the first electrode 11 and the second electrode 12.
このように、ナノ構造体を、その両端部を捕捉すべき2点、即ち第1の電極11の先端部11aと第2の電極12の先端部12aとを結ぶ線と平行になるよう予め配向させることにより、ナノ構造体が第1の電極11と第2の電極12との間に捕捉される確率が飛躍する。 In this way, the nanostructure is oriented in advance so as to be parallel to a line connecting the two ends of the nanostructure, that is, the tip 11a of the first electrode 11 and the tip 12a of the second electrode 12. By doing so, the probability that the nanostructure is captured between the first electrode 11 and the second electrode 12 jumps.
ここで、第1の電極11と第2の電極12とに印加する交番電圧は、妥当な周波数のものを選定する。これにより、ナノ構造体に正の誘電泳動を作用させることができ、電界強度の高い方向にナノ構造体を引き寄ることができる。 Here, the alternating voltage applied to the first electrode 11 and the second electrode 12 is selected to have an appropriate frequency. As a result, positive dielectrophoresis can act on the nanostructure, and the nanostructure can be pulled in the direction in which the electric field strength is high.
妥当な周波数は、シミュレーションの結果により予測することができる。そこで、誘導泳動力の理論計算について説明する。
誘電泳動により作用する力、即ち誘導詠動力(「DEP力」とも呼ばれる。)は、分散質が半径a(m)の球状微粒子の場合、式1で表される。式1からDEP力<FDEP(t)>は電界強度Eの2階微分∇│E│2に比例することが分かる。
<FDEP(t)>=2πa3εmRe[K(ω)]∇|E|2 (式1)
ここで、K(ω)はClausius-Mossoti因子と呼ばれ、複素数で表される。その実部をRe[K(ω)]と表記すると、力が作用する微粒子が球状の場合、Re[K(ω)]は式2で表される。
Re[K(ω)]=Re[(εp−εm)/(εp+2εm)]
={4f2π2(−2εm 2+εmεp+εp 2)−2σm 2+σmσp+σp 2}/{4f2π2(2εm+εp)2+(2σm+σp)2} (式2)
なお、σmは分散媒の導電率[Sm−1]、σpは分散質の導電率[Sm−1]、εmは分散媒の誘電率[Fm−1]、εpは分散質の誘電率[Fm−1]、fは周波数[Hz]、ωは角周波数、即ち2πfである。
A reasonable frequency can be predicted from the simulation results. Therefore, the theoretical calculation of the induced electrophoretic force will be described.
The force acting by dielectrophoresis, that is, induced repulsive force (also referred to as “DEP force”) is expressed by Formula 1 when the dispersoid is a spherical fine particle having a radius a (m). It can be seen from Equation 1 that the DEP force <F DEP (t)> is proportional to the second-order differential ∇ | E | 2 of the electric field strength E.
<F DEP (t)> = 2πa 3 ε m Re [K (ω)] ∇ | E | 2 (Formula 1)
Here, K (ω) is called a Clausius-Mossoti factor and is represented by a complex number. When the real part is expressed as Re [K (ω)], Re [K (ω)] is expressed by Equation 2 when the fine particles on which the force acts are spherical.
Re [K (ω)] = Re [(ε p −ε m ) / (ε p + 2ε m )]
= {4f 2 π 2 (-2ε m 2 + ε m ε p + ε p 2 ) -2σ m 2 + σ m σ p + σ p 2 } / {4f 2 π 2 (2ε m + ε p ) 2 + (2σ m + σ p 2 } (Formula 2)
Incidentally, the conductivity of the sigma m dispersion medium [Sm -1], σ p is the conductivity of dispersoid [Sm -1], the dielectric constant of epsilon m of the dispersion medium [Fm -1], ε p is the dispersoid Dielectric constant [Fm −1 ], f is a frequency [Hz], ω is an angular frequency, that is, 2πf.
分散質がロッド状又はワイヤ状である場合、誘導泳動力は下記の式3で表される。
<FDEP(t)>=ΓεmRe[K(ω)]∇|E|2 (式3)
ここで、Γはナノロッド又はナノワイヤの形状因子(geometric factor)[m3]であり、分散質が半径a、長さLのナノロッド、ナノワイヤである場合、形状因子Γはπ(a2L)/6で表される。分散質がロッド状又はワイヤ状であるの場合、K(ω)は式4で表される。
Re[K(ω)]=Re[(εp−εm)/εm]
={4f2π2εm(εp−εm)−σm(σp−σm)}/{4f2π2εm 2+σm 2}
(式4)
When the dispersoid is rod-shaped or wire-shaped, the induced electrophoretic force is represented by the following formula 3.
<F DEP (t)> = Γε m Re [K (ω)] ∇ | E | 2 (Formula 3)
Here, Γ is a nanorod or nanowire geometric factor [m 3 ], and when the dispersoid is a nanorod or nanowire of radius a and length L, the shape factor Γ is π (a 2 L) / It is represented by 6. When the dispersoid is rod-shaped or wire-shaped, K (ω) is expressed by Equation 4.
Re [K (ω)] = Re [(ε p −ε m ) / ε m ]
= {4f 2 π 2 ε m (ε p −ε m ) −σ m (σ p −σ m )} / {4f 2 π 2 ε m 2 + σ m 2 }
(Formula 4)
ここで、Re[K(ω)]は誘導泳動力の方向を決定し、電界周波数に依存して値が変化する。Re[K(ω)]が正の場合、p−DEPと呼ばれ、負の場合、n−DEPと呼ばれる。Re[K(ω)]の正負が入れ替わる周波数は交差周波数f0と呼ばれる。 Here, Re [K (ω)] determines the direction of the induced electrophoretic force and changes in value depending on the electric field frequency. When Re [K (ω)] is positive, it is called p-DEP, and when it is negative, it is called n-DEP. Frequency of positive and negative interchange of Re [K (ω)] is called the crossover frequency f 0.
図2乃至図4はRe[K(ω)]の周波数依存性の計算結果を表しており、図2はナノ構造体がZnOナノワイヤの場合のRe[K(ω)]の周波数特性依存性の計算結果を示す図、図3はナノ構造体がs−SWNT(semiconductor-like single-walled nanotube)の場合のRe[K(ω)]の周波数特性依存性の計算結果を示す図、図4はナノ構造体がMWNT(multi-walled nanotube)の場合のRe[K(ω)]の周波数特性依存性の計算結果を示す図である。各グラフの横軸は周波数で、縦軸はRe[K(ω)]である。なお、各グラフの中の挿入グラフは、Re[K(ω)]のゼロを挟む正負の近傍部分だけを拡大して示したものである。計算において、εp、σpなど値としては、文献により既に知られている値を参照し、ZnO、s−SWNT、MWNTの各εpを9εo、2.5εo、1.0×104ε0とし、各σpを8、1.0×108、1.0×105(Sm−1)とした。ε0は真空中の誘電率で9.85×1012C2(Nm2)−1である。分散媒としてイソプロパノールのεm、σpをそれぞれ18.6εo、6×105(Sm−1)とした。 2 to 4 show calculation results of the frequency dependence of Re [K (ω)]. FIG. 2 shows the frequency characteristic dependence of Re [K (ω)] when the nanostructure is a ZnO nanowire. FIG. 3 is a diagram showing a calculation result, FIG. 3 is a diagram showing a calculation result of the frequency characteristic dependence of Re [K (ω)] when the nanostructure is s-SWNT (semiconductor-like single-walled nanotube), and FIG. It is a figure which shows the calculation result of the frequency characteristic dependence of Re [K ((omega))] in case a nanostructure is MWNT (multi-walled nanotube). The horizontal axis of each graph is frequency, and the vertical axis is Re [K (ω)]. In addition, the insertion graph in each graph expands and shows only the positive and negative neighboring portions sandwiching zero of Re [K (ω)]. In the calculation, as values such as ε p and σ p , values already known from the literature are referred to, and each ε p of ZnO, s-SWNT, MWNT is set to 9ε o , 2.5ε o , 1.0 × 10 4 ε 0, and each σ p was 8 , 1.0 × 10 8 , 1.0 × 10 5 (Sm −1 ). epsilon 0 is a dielectric constant in vacuum 9.85 × 10 12 C 2 (Nm 2) -1. As a dispersion medium, ε m and σ p of isopropanol were set to 18.6ε o and 6 × 10 5 (Sm −1 ), respectively.
ナノ構造体がZnOのナノワイヤである場合、図2に示すように、交差周波数foは2MHzであり、100kHz以下の周波数では微粒子径と比べて極めて大きいRe[K]の値を示し、期待される正の誘電泳動(p−DEP)力が極めて大きいことが示唆される。
ナノ構造体がs−SWNTである場合、図3に示すように、交差周波数foは200MHzであり、10MHz以下の周波数では微粒子径と比べて極めて大きいRe[K]の値を示し、期待される正の誘電泳動(p−DEP)力が極めて大きいことが示唆される。
ナノ構造体がMWNTである場合、図4に示すように、負の誘導泳動(n−DEP)が作用する周波数領域はなく、すべての周波数領域で正の誘導泳動(p−DEP)が作用することが分かる。
If the nanostructure is a nanowire of ZnO, as shown in FIG. 2, cross-over frequency f o is 2MHz, the frequencies below 100kHz shows the value of very large Re [K] as compared with the microparticle size, it is expected This suggests that the positive dielectrophoretic (p-DEP) force is extremely large.
If the nanostructure is s-SWNT, as shown in FIG. 3, the crossover frequency f o is 200MHz, the frequencies below 10MHz shows the value of very large Re [K] as compared with the microparticle size, it is expected This suggests that the positive dielectrophoretic (p-DEP) force is extremely large.
When the nanostructure is MWNT, as shown in FIG. 4, there is no frequency domain in which negative induced migration (n-DEP) acts, and positive induced migration (p-DEP) acts in all frequency ranges. I understand that.
ここで、流路が直線状以外の形態をとり得る場合、フレキシブルなナノワイヤ分散液を流路に導入する場合は、インレットやアウトレットに対してそれぞれ別の一対の電極を配置し、流路に並行に電界勾配を形成し、電気泳動や電気透過流を誘起することにより、ナノワイヤの伸長を促し流路17中に移動させればよい。 Here, when the flow path can take a form other than a straight line, when a flexible nanowire dispersion liquid is introduced into the flow path, another pair of electrodes is arranged for each of the inlet and the outlet, and is parallel to the flow path. In this case, an electric field gradient is formed on the surface, and electrophoresis or electropermeable flow is induced to promote the elongation of the nanowire and move it into the channel 17.
本発明の実施形態に係るナノ構造体の配列方法では、ナノ構造体は、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノチューブ、針状など一次元構造体であれば各種の形状を有していてもよい。ナノ構造体としてのナノロッド、ナノワイヤ、ナノチューブの素材は、カーボンやZnOその他の半導体材料、白金や金その他の金属、バクテリアの膜外に存在するナノチューブ、繊毛、鞭毛、DNA及びRNA(peptide nucleic acid)、ペプチド、タンパク質及びこれら複合材料で作製して、単離されたものであってもよい。それ以外の素材であっても、材料ごとに導電率、誘電率が定義され、さらに溶媒側の導電率、誘電率を考慮することで各々の条件下で得られるDEP力は前述の式3から容易に予測される。 In the method for arranging nanostructures according to the embodiment of the present invention, the nanostructure may have various shapes as long as it is a one-dimensional structure such as a nanowire, a nanorod, a nanotube, or a needle. Nanorods, nanowires, and nanotubes as nanostructures are carbon, ZnO and other semiconductor materials, platinum, gold and other metals, nanotubes existing outside the bacterial membrane, cilia, flagella, DNA and RNA (peptide nucleic acid) , Peptides, proteins and composite materials thereof, and may be isolated. Even for other materials, the conductivity and dielectric constant are defined for each material, and the DEP force obtained under each condition by further considering the conductivity and dielectric constant on the solvent side can be obtained from the above-mentioned equation 3. Easy to predict.
ここで、第1の電極11と第2の電極との隙間(ギャップ)は、100nm以上、100μm以下の範囲であることが好ましい。それに対し、ナノワイヤなどのナノ構造体は、1μm以上200μm以下の範囲の所定の長さを有するとよい。この場合、ナノワイヤなどのナノ構造体は、第1の電極11と第2の電極12との隙間よりも若干長めであることが好ましい。具体的には、第1の電極11と第2の電極12との間のギャップ長に対するナノワイヤなどのナノ構造体の長さLの比が1.05以上であることが好ましい。これらの範囲を外れると第1の電極11と第2の電極12との間にナノワイヤなどのナノ構造体を配置するために十分な誘導泳動力が得られない可能性があり、不都合を生じるからである。
ナノワイヤ等の断面の大きさ、即ち楕円断面の場合の実効半径r1及びr2は、1nm以上500nm以下であることが好ましい。この好ましい範囲であれば、ナノワイヤの長さLは、楕円断面の実効半径r1、r2に対し、L≫r1,r2という条件を満たす。
Here, the gap (gap) between the first electrode 11 and the second electrode is preferably in the range of 100 nm to 100 μm. On the other hand, a nanostructure such as a nanowire may have a predetermined length in the range of 1 μm to 200 μm. In this case, the nanostructure such as a nanowire is preferably slightly longer than the gap between the first electrode 11 and the second electrode 12. Specifically, the ratio of the length L of the nanostructure such as a nanowire to the gap length between the first electrode 11 and the second electrode 12 is preferably 1.05 or more. If it is out of these ranges, a sufficient electrophoretic force may not be obtained for arranging a nanostructure such as a nanowire between the first electrode 11 and the second electrode 12, resulting in inconvenience. It is.
The size of the cross section of the nanowire or the like, that is, the effective radii r1 and r2 in the case of an elliptical cross section is preferably 1 nm or more and 500 nm or less. Within this preferable range, the length L of the nanowire satisfies the condition of L >> r1, r2 with respect to the effective radii r1, r2 of the elliptical cross section.
特に、ナノワイヤなどのナノ構造体を分散する分散媒はイソプロパノールなどの溶媒を用いることが好ましいが、ナノワイヤなどのナノ構造体が化学的に安定に存在する溶媒は広く使用が可能である。例えばナノ構造体がZnOでなる場合には酸と塩基に弱いのでアルコールやアセトンなどの有機溶媒又は水などを使うことができる。分散媒は液体であることは必ずしも必須ではなく、希ガスなどの気体媒体を用いてもよい。ナノ構造体が流路17に沿って並行に配向するからである。 In particular, it is preferable to use a solvent such as isopropanol as a dispersion medium for dispersing nanostructures such as nanowires, but solvents in which nanostructures such as nanowires are chemically stable can be widely used. For example, when the nanostructure is made of ZnO, it is weak against acids and bases, so an organic solvent such as alcohol or acetone or water can be used. The dispersion medium is not necessarily a liquid, and a gaseous medium such as a rare gas may be used. This is because the nanostructures are aligned in parallel along the flow path 17.
特に、ナノワイヤなどのナノ構造体の分散濃度は1マイクロリットル当たり100個以下がよい。この濃度範囲であれば、流路17と誘電泳動とを組み合わせることでナノワイヤなどのナノ構造体を電極ギャップに配置する場合、2本以上のナノワイヤを捕捉する可能性を小さくすることができるからである。 In particular, the dispersion concentration of nanostructures such as nanowires is preferably 100 or less per microliter. In this concentration range, the possibility of capturing two or more nanowires can be reduced when a nanostructure such as a nanowire is arranged in the electrode gap by combining the flow path 17 and dielectrophoresis. is there.
流路17を画成する第1及び第2の流路形成部15、16の素材としては、ポリジメチルシロキサン(PDMS:poly(dimethylsiloxane))が適している。PDMS流路17を用いた場合、ナノワイヤを配置する第1及び第2の電極11、12の集積基板と脱着が可能となるからである。それ以外の素材としては、SU−8など光感光性レジスト、OHPシート、PETシートなども使用可能である。シート状材料を用いる場合は、それを流路以外の空間、即ち図1に符号15,16で示す空間にそれぞれシート材を配置し、これらのシート材をスペーサーとして用い、さらに、これらシート材上に、即ち図1に示す基体14の位置にガラス基板やPDMS基板を配置して蓋をすることにより流路17を画成してもよい。 Polydimethylsiloxane (PDMS: poly (dimethylsiloxane)) is suitable as a material for the first and second flow path forming portions 15 and 16 that define the flow path 17. This is because when the PDMS channel 17 is used, the first and second electrodes 11 and 12 on which the nanowires are arranged can be detached from the integrated substrate. As other materials, a photosensitive resist such as SU-8, an OHP sheet, a PET sheet, and the like can be used. In the case of using a sheet-like material, the sheet material is disposed in a space other than the flow path, that is, spaces indicated by reference numerals 15 and 16 in FIG. 1, and these sheet materials are used as spacers. In other words, the flow path 17 may be defined by placing a glass substrate or PDMS substrate at the position of the base 14 shown in FIG.
DEPパルスの印加電圧としては、ピークツーピークで1〜20Vであることが好ましい。 The applied voltage of the DEP pulse is preferably 1 to 20 V peak to peak.
本発明の実施形態によるナノ構造体の配列方法によれば、電圧印加時から単一のナノワイヤなどのナノ構造体を電極間に捕捉するまでの時間は1分以内となり、効率性が極めて向上する。 According to the method for arranging nanostructures according to the embodiment of the present invention, the time from when a voltage is applied until a nanostructure such as a single nanowire is captured between the electrodes is within one minute, and the efficiency is greatly improved. .
〔ナノデバイスの作製方法及びナノデバイス作製用基板〕
本発明の一実施形態に係るナノデバイスの作製方法及びナノデバイス作製用基板について説明する。ナノデバイス作製用基板はナノ構造体の配列方法の際用いられる前述のナノ構造体配列チップ10をナノデバイス作製用基板に適用したものであり。ナノデバイスの作製方法は前述したナノ構造体の配列方法のステップに対してさらに別のステップを前後に追加することにより実現される。即ち、本発明の実施形態に係るナノデバイスの作製方法は、前述したようにナノ構造体を第1の電極11及び第2の電極12の間に配列し、その後例えば流路17を画成する第1及び第2の流路形成部15,16を取り外し、ナノ構造体と第1の電極11、第2の電極12とをそれぞれ電気的に確実に接続することで、各種のナノデバイスを作製することができる。
[Nanodevice Fabrication Method and Nanodevice Fabrication Substrate]
A nanodevice manufacturing method and a nanodevice manufacturing substrate according to an embodiment of the present invention will be described. The nanodevice fabrication substrate is obtained by applying the above-described nanostructure array chip 10 used in the nanostructure alignment method to the nanodevice fabrication substrate. The nanodevice fabrication method is realized by adding another step before and after the steps of the nanostructure arrangement method described above. That is, in the nanodevice manufacturing method according to the embodiment of the present invention, as described above, the nanostructures are arranged between the first electrode 11 and the second electrode 12, and then, for example, the flow path 17 is defined. Various nanodevices are produced by removing the first and second flow path forming portions 15 and 16 and electrically connecting the nanostructure to the first electrode 11 and the second electrode 12 respectively. can do.
図5は本発明の実施形態に係るナノデバイス20の平面図であり、図6は図5に示す第1の電極21と第2の電極22とのギャップ領域を拡大した部分図であり、図7は図5のA−A線に沿う断面図である。
ナノデバイス20は、図5乃至図7に示すように、ガラス基板、石英基板等の基体23上に第1の電極21と第2の電極22とが同軸上に、即ち同一線上に隙間を開けて形成され、第1の電極21と第2の電極22との隙間に第1の電極21と第2の電極22とを跨ぐようにナノ構造体25がその長手方向に沿って並置されている。なお、ナノ構造体25の長手方向に沿って流路27が流路形成部26により画成されているが、この流路形成部26は、前述したようにナノ構造体25を電極ギャップに配列する際用いられるものに相当する。また、図1に示す形態と同様、第1の外部接続電極28は第1の電極21から流路27に交差するように延びており、第2の外部接続電極29は第2の電極22から流路27に交差するように延びている。
FIG. 5 is a plan view of the nanodevice 20 according to the embodiment of the present invention, and FIG. 6 is an enlarged partial view of the gap region between the first electrode 21 and the second electrode 22 shown in FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
As shown in FIGS. 5 to 7, the nanodevice 20 has a first electrode 21 and a second electrode 22 coaxially formed on a base 23 such as a glass substrate or a quartz substrate, that is, on the same line. The nanostructures 25 are juxtaposed along the longitudinal direction so as to straddle the first electrode 21 and the second electrode 22 in the gap between the first electrode 21 and the second electrode 22. . The flow path 27 is defined by the flow path forming section 26 along the longitudinal direction of the nanostructure 25. The flow path forming section 26 arranges the nano structures 25 in the electrode gap as described above. It corresponds to what is used when doing. As in the embodiment shown in FIG. 1, the first external connection electrode 28 extends from the first electrode 21 so as to intersect the flow path 27, and the second external connection electrode 29 extends from the second electrode 22. It extends so as to intersect the flow path 27.
ここで、基体23としては、ガラス基板などの絶縁体のほか、金属、半導体基板の上に絶縁膜を形成したものであってもよい。第1の電極21及び第2の電極22は、何れも、密着層と電極層とからなり、密着層として例えば100nm厚のチタン層を採用し、電極層には白金Pt層を採用することが好ましい。流路27には前述の形態と同様、後工程により剥離できる素材、例えばPDMSが好ましい。流路27は、例えば150μmの幅、25μmの高さを有する。第1の電極21と第2の電極22との間の隙間は例えば10μmとし、第1の電極21と第2の電極22の流路27に平行な長さを100μmとするとよい。 Here, as the base 23, in addition to an insulator such as a glass substrate, an insulating film may be formed on a metal or semiconductor substrate. Each of the first electrode 21 and the second electrode 22 includes an adhesion layer and an electrode layer. For example, a titanium layer having a thickness of 100 nm is adopted as the adhesion layer, and a platinum Pt layer is adopted as the electrode layer. preferable. The flow path 27 is preferably made of a material that can be peeled off in a later step, for example, PDMS, as in the above-described embodiment. The flow path 27 has, for example, a width of 150 μm and a height of 25 μm. For example, the gap between the first electrode 21 and the second electrode 22 may be 10 μm, and the length parallel to the flow path 27 of the first electrode 21 and the second electrode 22 may be 100 μm.
このナノデバイス20は、後述する実施例で明らかなように、非線形IV特性を示す。このナノデバイス20は、前述したナノ構造体の配列方法を用いることにより、即ち、以下の手順を踏んで作製することができる。
第1ステップとして、基体23上に第1の電極21と第2の電極22とを同軸上に、即ち平面視で同一線上となるよう間隔を開けて形成する。その際、第1の電極21は第1の外部接続電極28と一体的に形成され、第2の電極22は第2の外部接続電極29と一体的に形成される。
第2ステップとして、基体23上に第1の電極21と第2の電極22との配列方向に沿って平行に流路27を形成する。その際、図示しない基体上に流路形成部26を設けておき、この基体と第1及び第2の電極21,22が形成されている基体23とを貼り合せることにより、流路27を形成してもよいし、前述したようにスペーサーと蓋とを用いて流路27を形成してもよい。
第3ステップとして、第1の電極21と第2の電極22との間に所定の周波数の交番電圧を印加しながら、即ち、第1の外部接続電極28と第2の外部接続電極29との間に交番電圧を印加しながら、複数のナノ構造体を分散した分散体、例えば懸濁液を流路27に流す。すると、分散体中のナノ構造体が流れに沿って並行となり、一本のナノ構造体を誘導泳動により第1の電極21と第2の電極22との間に捕捉し、第1の電極21と第2の電極22との間に跨って一本のナノ構造体25を配置する。
This nanodevice 20 exhibits non-linear IV characteristics, as will be apparent from examples described later. The nanodevice 20 can be manufactured by using the above-described method for arranging nanostructures, that is, following the following procedure.
As a first step, the first electrode 21 and the second electrode 22 are formed on the substrate 23 on the same axis, that is, at a distance so as to be on the same line in plan view. At that time, the first electrode 21 is formed integrally with the first external connection electrode 28, and the second electrode 22 is formed integrally with the second external connection electrode 29.
As a second step, the flow path 27 is formed on the base 23 in parallel along the arrangement direction of the first electrode 21 and the second electrode 22. At this time, a flow path forming portion 26 is provided on a base (not shown), and the base 27 and the base 23 on which the first and second electrodes 21 and 22 are formed are bonded to form a flow path 27. Alternatively, as described above, the flow path 27 may be formed using a spacer and a lid.
As a third step, an alternating voltage having a predetermined frequency is applied between the first electrode 21 and the second electrode 22, that is, between the first external connection electrode 28 and the second external connection electrode 29. While applying an alternating voltage therebetween, a dispersion in which a plurality of nanostructures are dispersed, for example, a suspension is passed through the flow path 27. Then, the nanostructures in the dispersion are parallel to each other along the flow, and one nanostructure is captured between the first electrode 21 and the second electrode 22 by induction electrophoresis, and the first electrode 21 is captured. One nanostructure 25 is disposed between the first electrode 22 and the second electrode 22.
なお、その後、流路形成部26を基体23から剥離してもよいし、さらに、第1の電極21及びナノ構造体25の一方の端部上に第1のコンタクト用電極(「第1の導通用電極」ともいう。)を設け、第2の電極22及びナノ構造体25の他方の端部上に第2のコンタクト用電極(「第2の導通用電極」ともいう。)を設けることにより、電気的な接続を確実なものにしてもよい。 After that, the flow path forming portion 26 may be peeled off from the base 23, and further, a first contact electrode (“first first electrode”) is formed on one end of the first electrode 21 and the nanostructure 25. And a second contact electrode (also referred to as a “second conductive electrode”) on the other end of the second electrode 22 and the nanostructure 25. Thus, the electrical connection may be ensured.
前述のナノデバイス20は2端子素子であるが、それ以外に例えば3端子を有するFET型のナノデバイスであってもその作製方法を適用することができる。以下、EFT型のナノデバイスについて詳説する。図8は本発明の実施形態に係るナノデバイス30の平面図であり、図9は図8のB−B線に沿う断面図、図10は図8のC−C線に沿う断面図である。ナノデバイス30は、基体33上に第1の電極31と第2の電極32とが同軸上に、即ち平面視で同一線上に隙間を開けて形成され、第1の電極31と第2の電極32との隙間に第1の電極31と第2の電極32とを跨ぐようにナノ構造体35がその長手方向に沿って並置されている。ここで、第1の電極31は密着層31aと電極層31bの積層構造で構成され、第2の電極32は密着層32aと電極層32bの積層構造で構成される。ナノデバイス30では、さらに、第1の電極31、第2の電極32の何れかの外側に第3の電極43が形成されている。ここで、第3の電極43は、第1の電極31及び第2の電極32と同様、密着層と電極層の積層構造で形成されている。第3の電極43は、第1の電極31と第2の電極32との隙間に対して交差する方向と平行に延びている。 The nanodevice 20 described above is a two-terminal element, but the manufacturing method can be applied to an FET type nanodevice having, for example, three terminals. Hereinafter, the EFT type nanodevice will be described in detail. 8 is a plan view of the nanodevice 30 according to the embodiment of the present invention, FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 8, and FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line CC in FIG. . In the nanodevice 30, the first electrode 31 and the second electrode 32 are formed on the substrate 33 coaxially, that is, with a gap on the same line in plan view, and the first electrode 31 and the second electrode are formed. The nanostructures 35 are juxtaposed along the longitudinal direction so as to straddle the first electrode 31 and the second electrode 32 in the gap between the first electrode 31 and the second electrode 32. Here, the first electrode 31 has a stacked structure of an adhesion layer 31a and an electrode layer 31b, and the second electrode 32 has a stacked structure of an adhesion layer 32a and an electrode layer 32b. In the nanodevice 30, a third electrode 43 is further formed outside either the first electrode 31 or the second electrode 32. Here, like the first electrode 31 and the second electrode 32, the third electrode 43 is formed by a laminated structure of an adhesion layer and an electrode layer. The third electrode 43 extends in parallel with the direction intersecting the gap between the first electrode 31 and the second electrode 32.
図8及び図9に示すように、ナノ構造体35の第1の電極側の端部を部分的に覆うように第1の電極31上に第1のコンタクト用電極41が形成されており、ナノ構造体35の第2の電極側の端部を部分的に覆うように第2の電極32上に第2のコンタクト用電極42が形成されている。ここで、第1のコンタクト用電極41は密着層41aと電極層41bとの積層構造で構成され、第2のコンタクト用電極42は密着層42aと電極層42bとの積層構造で構成されている。各コンタクト用電極41、42が積層されているので、ナノ構造体35と第1の電極、第2の電極とがそれぞれオーミックコンタクトを形成している。 As shown in FIGS. 8 and 9, a first contact electrode 41 is formed on the first electrode 31 so as to partially cover the end of the nanostructure 35 on the first electrode side, A second contact electrode 42 is formed on the second electrode 32 so as to partially cover the end of the nanostructure 35 on the second electrode side. Here, the first contact electrode 41 has a stacked structure of an adhesion layer 41a and an electrode layer 41b, and the second contact electrode 42 has a stacked structure of an adhesion layer 42a and an electrode layer 42b. . Since the contact electrodes 41 and 42 are laminated, the nanostructure 35, the first electrode, and the second electrode form ohmic contacts, respectively.
さらに、第1の電極31上にはその両端部を除き絶縁性材料でなる第1の保護層46が形成され、第2の電極32上にはその両端部を除き絶縁性材料でなる第2の保護層47が形成され、第3の電極43上にはその両端部を除き絶縁性材料でなる第3の保護層48が形成されている。ここで、絶縁性材料としては、SU−8などのエポキシ樹脂が用いられる。 Further, a first protective layer 46 made of an insulating material is formed on the first electrode 31 except for both ends thereof, and a second made of an insulating material except for both ends thereof is formed on the second electrode 32. A protective layer 47 is formed, and a third protective layer 48 made of an insulating material is formed on the third electrode 43 except for both ends thereof. Here, an epoxy resin such as SU-8 is used as the insulating material.
このナノデバイス30は電解質溶液中で用いられ、第1の電極31、第2の電極32の何れかをソース電極、他方をドレイン電極とし、第3の電極43をゲート電極として機能するEC−FET(Electrochemical-Field Effect Transistor)型のナノデバイスを構成する。これは、第3の電極43にゲート電圧を印加すると、電解質を通じてナノ構造体35表面に分子レベルの厚さの電気二重層が形成されるため、電気二重層FETとも呼ばれている。 This nanodevice 30 is used in an electrolyte solution, and an EC-FET that functions as either a first electrode 31 or a second electrode 32 as a source electrode, the other as a drain electrode, and a third electrode 43 as a gate electrode. (Electrochemical-Field Effect Transistor) type nano device is constructed. This is also referred to as an electric double layer FET, because when a gate voltage is applied to the third electrode 43, an electric double layer having a molecular level thickness is formed on the surface of the nanostructure 35 through the electrolyte.
ナノデバイス30の作製方法について説明する。図11は図8に示すナノデバイス30を作製するプロセスの一工程を示す平面図である。先ず、前述のナノデバイス20の作製プロセスと同様、第1の電極31及び第2の電極32と共に第3の電極43を基体33上に形成し、その後、流路37を流路形成部36で形成する。そして、前述したナノ構造体の配列方法を適用することにより、図11に示すように第1の電極31と第2の電極32の両端部に跨るようにナノ構造体35を並置する。その後、流路37を画成する流路形成部36を取り除き、コンタクト用電極41,42を形成し、その後、第1の保護層46、第2の保護層47、第3の保護層48を形成すればよい。このナノデバイス30は電解質溶液中で用いられるため、図8に示す外部接続電極38,39,49の端部と電源(図示せず)と電気配線された後、外部接続電極38,39,49の端部上に絶縁層などを設けることが好ましい。 A method for manufacturing the nanodevice 30 will be described. FIG. 11 is a plan view showing one step in the process of manufacturing the nanodevice 30 shown in FIG. First, the third electrode 43 is formed on the base body 33 together with the first electrode 31 and the second electrode 32 as in the process of manufacturing the nanodevice 20 described above, and then the flow path 37 is formed by the flow path forming portion 36. Form. Then, by applying the above-described nanostructure arrangement method, the nanostructures 35 are juxtaposed so as to straddle both ends of the first electrode 31 and the second electrode 32 as shown in FIG. Thereafter, the flow path forming portion 36 that defines the flow path 37 is removed to form contact electrodes 41 and 42, and then the first protective layer 46, the second protective layer 47, and the third protective layer 48 are formed. What is necessary is just to form. Since the nanodevice 30 is used in an electrolyte solution, the external connection electrodes 38, 39, and 49 are electrically connected to the ends of the external connection electrodes 38, 39, and 49 shown in FIG. 8 and a power source (not shown). It is preferable to provide an insulating layer or the like on the end portion of each.
実施例を示し、本発明をさらに詳しく説明する。
先ず、ナノ構造体としてZnOナノワイヤを次の手順により作製した。
Si基板(100)に厚さ50〜100nmのAu薄膜をコーティングし、その基板上に気相輸送(VPT:vapor-phase transport)法によりZnOを成長した。その際、ZnOパウダー及びカーボンパウダーを質量比が等しくなるよう混合して原料とし、キャリアガスとして100sccm(cm3/分)のアルゴンガスを用い、900℃で20分反応させた。なお、Si基板にAu薄膜をコーティングしないで、0.005Mの脱水酢酸亜鉛/エタノール溶液をコーティングしても同様にZnOナノワイヤを作製することができる。
Examples are given to further illustrate the present invention.
First, a ZnO nanowire was produced as a nanostructure by the following procedure.
An Au thin film with a thickness of 50 to 100 nm was coated on a Si substrate (100), and ZnO was grown on the substrate by a vapor-phase transport (VPT) method. At that time, ZnO powder and carbon powder were mixed so as to have the same mass ratio, used as raw materials, and reacted at 900 ° C. for 20 minutes using 100 sccm (cm 3 / min) argon gas as a carrier gas. In addition, ZnO nanowires can be similarly produced by coating a 0.005M dehydrated zinc acetate / ethanol solution without coating the Au thin film on the Si substrate.
図12は実施例で作製したZnOナノワイヤを示し、(A)は基板上に作製したもののSEM像であり、(B)は(A)の拡大像である。図12(A)及び(B)に示すように、シリコン基板上にナノワイヤが析出した。ナノワイヤの長さは40μm〜120μmの範囲であった。ナノワイヤはほぼ円柱状であり、その半径は50nm〜300nmであった。アスペクト比は60〜400であった。よって、ワイヤの長さは半径と比べて非常に小さい。 FIG. 12 shows the ZnO nanowires produced in the examples, (A) is an SEM image of what was produced on the substrate, and (B) is an enlarged image of (A). As shown in FIGS. 12A and 12B, nanowires were deposited on the silicon substrate. The length of the nanowire ranged from 40 μm to 120 μm. The nanowire was substantially cylindrical, and its radius was 50 nm to 300 nm. The aspect ratio was 60-400. Therefore, the length of the wire is very small compared to the radius.
次に、この作製したZnOナノワイヤをイソプロパノールの溶媒に分散させた。図13はZnOナノワイヤの分散体を示す光学顕微鏡像である。分散濃度は最大10個/μリットルであった。 Next, the produced ZnO nanowire was dispersed in an isopropanol solvent. FIG. 13 is an optical microscope image showing a dispersion of ZnO nanowires. The dispersion concentration was a maximum of 10 particles / μl.
一方、図11に対応したナノデバイス作製用基板40を次の手順により作製した。
図14(A)は第1、第2及び第3の電極31,32,43等のデバイスマスクデザインを示し、(B)はマイクロ流路37積層時のデバイスマスクパターンを示す図である。図14(A)に示すように、スパッタリング蒸着法及び光リソグラフィー法により200nm厚のTiと100nm厚のPtとで第1の電極31と第2の電極32をガラス基板33上に作製した。このとき、第1の電極31及び第2の電極32のギャップは10μmとした。第1の電極31と第2の電極32の配置に対応させて別のガラス基板34上にPDMS製の流路形成部36により流路37を積層した。流路幅は100μmとした。その後、第1の電極11及び第2の電極12が形成されている基板(「電極用基板」ともいう)33と流路37が形成されている基板(「流路用基板」ともいう)34とを接着した。その際、電極用基板33及びPDMS製の流路形成部36の各面を酸素プラズマ処理した。
On the other hand, a nanodevice fabrication substrate 40 corresponding to FIG. 11 was fabricated by the following procedure.
14A shows a device mask design of the first, second, and third electrodes 31, 32, 43, etc., and FIG. 14B shows a device mask pattern when the microchannel 37 is stacked. As shown in FIG. 14A, a first electrode 31 and a second electrode 32 were formed on a glass substrate 33 with 200 nm-thick Ti and 100 nm-thick Pt by a sputtering vapor deposition method and a photolithographic method. At this time, the gap between the first electrode 31 and the second electrode 32 was 10 μm. Corresponding to the arrangement of the first electrode 31 and the second electrode 32, a flow path 37 was laminated on another glass substrate 34 by a flow path forming part 36 made of PDMS. The channel width was 100 μm. Thereafter, a substrate (also referred to as “electrode substrate”) 33 on which the first electrode 11 and the second electrode 12 are formed and a substrate (also referred to as “channel substrate”) 34 on which the flow path 37 is formed. And glued together. At that time, each surface of the electrode substrate 33 and the PDMS flow path forming portion 36 was subjected to oxygen plasma treatment.
図15(A)は実際に作製した電極用基板33のSEM像であり、図15(B)は実際に電極用基板33と流路用基板34とを接着した状態のSEM像である。なお、図15(B)には倍率を下げた像を挿入してある。 FIG. 15A is an SEM image of the electrode substrate 33 actually manufactured, and FIG. 15B is an SEM image in a state where the electrode substrate 33 and the flow path substrate 34 are actually bonded. In FIG. 15B, an image with reduced magnification is inserted.
図16は、図14(A)に示す第1の電極31及び第2の電極32に交番電圧を印加したときの電場勾配、即ち2階微分のシミュレーション結果であり、(A)は第1の電極31及び第2の電極32から所定の高さの面での電界勾配を濃淡で示す図、(B)は鉛直断面方向での電界勾配の濃淡を示す図である。この計算においては有限要素法に基づく市販のソフトCOMSOLを用いた。なお、何れの図においても、斜めに傾斜した白線は一本のナノ構造体をイメージ的に示している。図16(A)及び(B)から、電界勾配は各電極尖端に集中しており、ナノ構造体の捕捉の相互作用が第1の電極及び第2の電極の尖端で最も強く働くことを示唆している。 FIG. 16 shows a simulation result of the electric field gradient when the alternating voltage is applied to the first electrode 31 and the second electrode 32 shown in FIG. FIG. 5B is a diagram showing the electric field gradient on the surface of a predetermined height from the electrode 31 and the second electrode 32 in shades, and FIG. 5B is a diagram showing the gradient of the electric field gradient in the vertical section direction. In this calculation, commercially available software COMSOL based on the finite element method was used. In any of the figures, the slanted white line represents one nanostructure. 16 (A) and (B), the electric field gradient is concentrated at each electrode tip, suggesting that the nanostructure trapping interaction works most strongly at the first and second electrode tips. is doing.
次に、前述のように作製したナノデバイス作製用基板40において、第1の電極31及び第2の電極32に交流電圧を印加しながら、ZnOが分散されているイソプロパノール溶液(以下、「ZnO分散体」と呼ぶ。)を、流路37のインレットから導入した。すると、ZnOナノワイヤは層流と並行に配向しながら移送されることを確認した。ZnO分散体を導入する際、第1の電極31及び第2の電極32に交流電圧を印加し、誘電泳動力を誘起した。DEPパルスの印加条件は周波数100kHzとし、10Vppとした。分散質としてZnOナノワイヤを分散してなる分散体を流したままの状態でDEPパルスを印加すると、1分以内にZnOナノワイヤを第1の電極31と第2の電極32とで捕捉することを確認した。その結果として、図17に示すように、電極間にZnOナノワイヤが捕捉されている様子を示すSEM像からも明らかなように、第1の電極31と第2の電極32との間に一本のZnOナノワイヤを配列することができた。
なお、流路37と並行に配向しない針状のナノ構造体や流路と並行であっても各電極の尖端を結ぶラインから逸脱するナノワイヤは、第1及び第2の電極31,32で捕捉することはなかった。また、前述のシミュレーション結果の通り、ナノワイヤに作用するp−DEP力は100kHzの周波数領域において微粒子の系に比べ極めて大きかった。第1の電極31と第2の電極32に印加する電圧の周波数を100kHzより低い周波数に設定すると、ZnOナノワイヤが破壊された。
Next, in the nanodevice fabrication substrate 40 fabricated as described above, an isopropanol solution (hereinafter referred to as “ZnO dispersion”) in which ZnO is dispersed while applying an AC voltage to the first electrode 31 and the second electrode 32. Was called from the inlet of the flow path 37. Then, it confirmed that ZnO nanowire was transferred, aligning in parallel with a laminar flow. When introducing the ZnO dispersion, an alternating voltage was applied to the first electrode 31 and the second electrode 32 to induce a dielectrophoretic force. The application condition of the DEP pulse was a frequency of 100 kHz and 10 Vpp. Confirm that the ZnO nanowires are captured by the first electrode 31 and the second electrode 32 within one minute when a DEP pulse is applied in a state where a dispersion obtained by dispersing ZnO nanowires as a dispersoid flows. did. As a result, as shown in FIG. 17, there is one wire between the first electrode 31 and the second electrode 32, as is apparent from the SEM image showing that the ZnO nanowire is captured between the electrodes. Of ZnO nanowires could be arranged.
The needle-like nanostructures that are not oriented in parallel with the flow path 37 and the nanowires that deviate from the line connecting the tips of the electrodes even in parallel with the flow path are captured by the first and second electrodes 31 and 32. I never did. Moreover, as the above-mentioned simulation result, the p-DEP force acting on the nanowire was extremely large in comparison with the fine particle system in the frequency region of 100 kHz. When the frequency of the voltage applied to the first electrode 31 and the second electrode 32 was set to a frequency lower than 100 kHz, the ZnO nanowire was broken.
前述したように、ナノワイヤの配列のための処理を15回行ったところ、第1の電極31と第2の電極32との間に1本のZnOナノワイヤを捕捉した回数は13回であり、残り2回だけは2本以上のナノワイヤが捕捉されていた。よって、一本だけ電極間にナノワイヤを捕捉する成功率は80%程度であった。 As described above, when the processing for arranging the nanowires was performed 15 times, the number of times that one ZnO nanowire was captured between the first electrode 31 and the second electrode 32 was 13, and the remaining Only two times, two or more nanowires were captured. Therefore, the success rate of capturing nanowires between only one electrode was about 80%.
本実施例の前述の結果は、前述のシミュレーションの結果のように電界勾配が高い領域が第1の電極31及び第2の電極32の各最尖端に集中しており、流路37と並行に移動するZnOナノワイヤを一本だけ選択的に捕捉する確率が極めて高くなったためと考えられる。これにより、単一のナノワイヤを電極間に選択的に配列することができる。 In the above-described results of the present embodiment, the regions where the electric field gradient is high are concentrated at the respective extreme points of the first electrode 31 and the second electrode 32 as in the above-described simulation results. This is probably because the probability of selectively capturing only one moving ZnO nanowire is extremely high. Thereby, a single nanowire can be selectively arranged between electrodes.
(比較例)
比較例として、流路37を形成しないで単に電極用基板のみを用い、ZnOナノワイヤがイソプロパノール溶液10mリットル中に分散されている分散体を、第1の電極31と第2の電極32との間のギャップ近傍に滴下した。この場合であっても、第1の電極31及び第2の電極32の近傍にp−DEP力が作用し、ZnOナノワイヤの一端を確保する現象は比較的生じ易い。しかし両電極に跨がるようナノワイヤが捕捉される確率は極めて低かった。さらに5分〜10分程度DEPパルスを印加し続けると確率的にZnOナノワイヤが第1の電極31及び第2の電極32に捕捉されるものの、ZnOナノワイヤが密集してしまい、ZnOナノワイヤを1本だけ捕捉することはできなかった。
(Comparative example)
As a comparative example, a dispersion in which ZnO nanowires are dispersed in 10 ml of an isopropanol solution using only an electrode substrate without forming the flow path 37 is used between the first electrode 31 and the second electrode 32. Dropped in the vicinity of the gap. Even in this case, the p-DEP force acts in the vicinity of the first electrode 31 and the second electrode 32, and the phenomenon of securing one end of the ZnO nanowire is relatively likely to occur. However, the probability that the nanowire was captured so as to straddle both electrodes was extremely low. Further, if the DEP pulse is continuously applied for about 5 minutes to 10 minutes, the ZnO nanowires are stochastically captured by the first electrode 31 and the second electrode 32, but the ZnO nanowires are densely packed, and one ZnO nanowire is formed. Couldn't just capture.
以上のことから、本実施例と比較例とを対比すると、流路と誘導泳動とを用いて、極めて迅速かつ簡便で、しかも一本だけ選択的に電極ギャップに捕捉することができる。 From the above, when this example and the comparative example are compared, it is possible to capture only one electrode gap in the electrode gap very quickly and easily using the channel and the induction electrophoresis.
次に、作製したナノデバイスの特性を評価した。
第1の電極31及び第2の電極32に直流電圧を印加して電流電圧特性を測定したところ、再現性よく、捕捉した単一ナノワイヤと2電極間の電気的接続が極めて安定であるといえる。
Next, the characteristics of the fabricated nanodevice were evaluated.
When current voltage characteristics were measured by applying a DC voltage to the first electrode 31 and the second electrode 32, it can be said that the electrical connection between the captured single nanowire and the two electrodes is extremely stable with good reproducibility. .
第1の電極31と第2の電極32とをエレクトロメータに接続して電流電圧特性を調べた。図18(A)は作製したナノデバイスの電流電圧特性を示す図で、(B)は波長の異なる光をナノ構造体に照射したときの電流電圧特性を示す図である。
図18(A)に示す電流電圧特性から、ZnO/Pt界面でショットキーバリアが形成されていることが分かる。Pt電極とZnOナノワイヤの接合界面にはショットキーバリアが存在するため、電流電圧特性は非線形となり、−0.5V以下、1.6V以上で電流が急激に増大した。この点は、非対称な電流電圧特性は白金の仕事関数が6.1eVであり、ZnOの電気親和力が4.5eVであることから説明できる。
波長の異なる光を照射した際の光電流応答を観測した。図18(B)において、矢印Aは光を照射していない状態での特性曲線であり、矢印Bは波長520nm〜550nmの範囲の光を照射した状態での特性曲線であり、矢印Cは波長460nm〜490nmの範囲の光を照射した状態での特性曲線である。これら3本の特性曲線では特に光電流が観測されなかった。一方、矢印Dは波長360nm〜370nmの範囲の光を照射した状態での特性曲線であり、紫外領域の光に対し光電流が観測された。実施例ではナノ構造体がZnOであるので、Zn2+とO2−がイオンキャリアの働きを担う。
よって、本実施例で作製したナノデバイスは光センサとして応用することができることが分かった。
The first electrode 31 and the second electrode 32 were connected to an electrometer, and the current-voltage characteristics were examined. FIG. 18A shows the current-voltage characteristics of the manufactured nanodevice, and FIG. 18B shows the current-voltage characteristics when the nanostructure is irradiated with light having different wavelengths.
From the current-voltage characteristics shown in FIG. 18A, it can be seen that a Schottky barrier is formed at the ZnO / Pt interface. Since a Schottky barrier is present at the junction interface between the Pt electrode and the ZnO nanowire, the current-voltage characteristics are nonlinear, and the current increases rapidly at −0.5 V or lower and 1.6 V or higher. This point can be explained by the fact that the asymmetric current-voltage characteristic is that the work function of platinum is 6.1 eV and the electrical affinity of ZnO is 4.5 eV.
We observed the photocurrent response when irradiated with light of different wavelengths. In FIG. 18B, an arrow A is a characteristic curve in a state where light is not irradiated, an arrow B is a characteristic curve in a state where light in a wavelength range of 520 nm to 550 nm is irradiated, and an arrow C is a wavelength. It is a characteristic curve in the state which irradiated the light of the range of 460 nm-490 nm. No photocurrent was observed particularly in these three characteristic curves. On the other hand, an arrow D is a characteristic curve in a state where light in a wavelength range of 360 nm to 370 nm is irradiated, and a photocurrent was observed for light in the ultraviolet region. In the embodiment, since the nanostructure is ZnO, Zn 2+ and O 2− serve as an ion carrier.
Therefore, it was found that the nanodevice manufactured in this example can be applied as an optical sensor.
UV光照射のON/OFFに対する電流過渡特性を調べた。比較のため、ZnO薄膜が形成されている基板(以下、「ZnO薄膜基板」と呼ぶ。)についての光電流応答も測定した。図19(A)は本実施例で作製したナノデバイスへのUV光照射ON/OFFに対する電流過渡特性の結果を示す図であり、図19(B)はZnO薄膜基板の電流過渡特性の結果を示す図である。何れも、横軸は時間(秒)であり、縦軸は電流(A)である。
図19(A)に示すように、一本のZnOナノワイヤが配置されているナノデバイスでは、UV照射のONとOFFとで電流値が20〜1000倍増加し、応答時間も10秒であった。一方、図19(B)に示すように、ZnO薄膜基板では、UV照射のONとOFFとで電流値は約2倍増加し、応答時間も2分であった。
ZnOナノワイヤが配置されているナノデバイスでは、光電流の発生は、ZnO表層に吸着している酸素がUV光により脱着し、余剰の負電荷がキャリアとなり、光電流が発生していると推察される。図19(B)に示す比較例としてのZnO薄膜基板の光電流応答と比べると、応答時間、応答電流ともに単一ZnOナノワイヤデバイスのほうが優れていることが分かった。
Current transient characteristics with respect to ON / OFF of UV light irradiation were investigated. For comparison, the photocurrent response of a substrate on which a ZnO thin film is formed (hereinafter referred to as “ZnO thin film substrate”) was also measured. FIG. 19A is a diagram showing a result of current transient characteristics with respect to ON / OFF of UV light irradiation to the nanodevice fabricated in this example, and FIG. 19B is a diagram showing a result of current transient characteristics of a ZnO thin film substrate. FIG. In either case, the horizontal axis represents time (seconds), and the vertical axis represents current (A).
As shown in FIG. 19A, in the nanodevice in which one ZnO nanowire is arranged, the current value increased 20 to 1000 times between ON and OFF of UV irradiation, and the response time was 10 seconds. . On the other hand, as shown in FIG. 19B, in the ZnO thin film substrate, the current value increased about twice as the UV irradiation was turned on and off, and the response time was 2 minutes.
In the nanodevice in which ZnO nanowires are arranged, it is speculated that the photocurrent is generated because the oxygen adsorbed on the ZnO surface layer is desorbed by UV light, and the excess negative charge becomes carriers and the photocurrent is generated. The Compared to the photocurrent response of the ZnO thin film substrate as a comparative example shown in FIG. 19B, it was found that the single ZnO nanowire device was superior in both response time and response current.
実施例2として、図8に示すFET型ナノデバイスを作製した。図20は作製したFET型ナノデバイスのSEM像である。実施例1で作製した手順と異なる主要な点は、第1の電極31及び第2の電極32と同時に第3の電極43を形成した点と、第1の電極31とナノワイヤ35の端部上に第1のコンタクト用電極41を形成し、第2の電極32とナノワイヤ35の端部上に第2のコンタクト用電極42を形成した点と、第1の電極31上に部分的に第1の保護層46を形成し、かつ第2の電極32上に部分的に第2の保護層47を形成すると同時に第3の電極43上に保護層48を設けた点である。 As Example 2, the FET type nanodevice shown in FIG. FIG. 20 is an SEM image of the fabricated FET nanodevice. The main points different from the procedure prepared in Example 1 are that the third electrode 43 is formed simultaneously with the first electrode 31 and the second electrode 32, and on the ends of the first electrode 31 and the nanowire 35. The first contact electrode 41 is formed on the second electrode 32 and the second contact electrode 42 is formed on the end portions of the second electrode 32 and the nanowire 35, and the first electrode 31 is partially formed on the first electrode 31. The protective layer 46 is formed, and the second protective layer 47 is partially formed on the second electrode 32, and at the same time, the protective layer 48 is provided on the third electrode 43.
具体的には、実施例1と同様誘導泳動と流路とを組み合わせた方法により、単一ZnOナノワイヤを第1の電極31と第2の電極32とのギャップ間に配列したのち、密着層41a,42aをTi層としかつ電極層41b,42bをPt層とするコンタクト用電極41,42を積層した。これにより、ZnOナノワイヤの各端部をそれぞれ第1の電極31、第2の電極32に固定した。第1乃至第3の保護層46,47,48として絶縁層にはSu−8を用いて形成した。その後、ZnOナノワイヤ表面にはドデカンニ酸Dodecanedioic Acid (HOOC(CH2)10COOH)を吸着させ、電解質溶液中、具体的にはリン酸緩衝液中におけるZnOナノワイヤのエッチングを防止した。なお、ゲート電極となる第3の電極43の電極幅を30μmとした。 Specifically, the single ZnO nanowires are arranged between the gaps between the first electrode 31 and the second electrode 32 by a method combining induction electrophoresis and a flow path in the same manner as in Example 1, and then the adhesion layer 41a. , 42a are Ti layers and electrode layers 41b and 42b are Pt layers, and contact electrodes 41 and 42 are stacked. Thereby, each edge part of ZnO nanowire was fixed to the 1st electrode 31 and the 2nd electrode 32, respectively. As the first to third protective layers 46, 47, 48, the insulating layers were formed using Su-8. Thereafter, dodecanedioic acid (HOOC (CH 2 ) 10 COOH) was adsorbed on the surface of the ZnO nanowires to prevent etching of the ZnO nanowires in the electrolyte solution, specifically in the phosphate buffer solution. Note that the electrode width of the third electrode 43 serving as a gate electrode was set to 30 μm.
図21は作製したFET型ナノデバイスの電流電圧特性である。図中、矢印Aで示す曲線は、単一のZnOナノワイヤを配列した状態での電流電圧特性であり、矢印Bで示す線は、コンタクト用電極としてTi層とPt層とを積層したときの電流電圧特性である。
第1の電極31と第2の電極32との間に印加する電圧と電流とは、図21に矢印Aで示すように、ZnOナノワイヤを第1及び第2の電極31,32のギャップに配列した状態では非線形となっているが、さらに、コンタクト用電極としてTi/Pt電極を積層することにより、ショットキー接合からオーミック接合に変化していることが分かる。
FIG. 21 shows current-voltage characteristics of the fabricated FET nanodevice. In the figure, a curve indicated by an arrow A is a current-voltage characteristic in a state where single ZnO nanowires are arranged, and a line indicated by an arrow B is a current when a Ti layer and a Pt layer are stacked as a contact electrode. Voltage characteristics.
The voltage and current applied between the first electrode 31 and the second electrode 32 are obtained by arranging ZnO nanowires in the gap between the first and second electrodes 31 and 32 as shown by an arrow A in FIG. In this state, although it is non-linear, it can be seen that by changing the Ti / Pt electrode as the contact electrode, the Schottky junction is changed to the ohmic junction.
作製したFET型ナノデバイスを電解質溶液としてリン酸緩衝液中に漬け、第3の電極43に印加するバイアス電圧、即ちゲート電圧VGを変化させながら、第1の電極31であるソースと第2の電極32であるドレインとの間に流れる電流値を測定した。図22はEFT型ナノデバイスにおけるISD-VSD特性を示す図である。ゲート電圧VGを+0.5V〜−0.5Vまで0.1V間隔で変化させた。図22に示すFET特性から、単一ZnOナノワイヤはn型半導体の特性を示すことが分かった。 The FET type nano device fabricated soaked in phosphate buffer as the electrolyte solution, the bias voltage applied to the third electrode 43, i.e. while changing the gate voltage V G, the source and the second is the first electrode 31 The current value flowing between the electrode 32 and the drain was measured. FIG. 22 is a diagram showing I SD -V SD characteristics in an EFT nanodevice. The gate voltage V G to + 0.5V to-0.5V was varied 0.1V intervals. From the FET characteristics shown in FIG. 22, it was found that a single ZnO nanowire exhibits the characteristics of an n-type semiconductor.
作製したFET型ナノデバイスを電解質溶液としてリン酸緩衝液中に漬け、ソース−ドレイン電圧VSDを一定にし、ゲート電圧VGを変化させながらソース−ドレイン間に流れる電流ISDとゲート電流IGとを測定した。図23は、VSDを0.5Vに固定した時の、VGに対するISD,IGの関係を示す測定結果を示す図である。図からゲート電流IGの漏れは小さくZnOの劣化(deterioration)の影響は生じていなかった。 The FET type nano device fabricated soaked in phosphate buffer as the electrolyte solution, the source - drain voltage V SD is constant, the source while varying the gate voltage V G - current flowing between the drain I SD and the gate current I G And measured. 23, when fixing the V SD to 0.5V, I SD for V G, it is a diagram illustrating a measured result indicating a relation between I G. Leakage of the gate current I G from the figure did not occur the influence of degradation of less ZnO (deterioration).
本発明により、電極間にナノ構造体を1本だけ容易に配置することができる。よって、従来のように例えば1本のナノワイヤをマイクロマニピュレータで操作するなど超絶技巧を有する非効率的な工程が不要となる。即ち、光ピンセットなどを用いた場合は装置が高額となり、かつ作製に時間を要し、さらに同一のデバイスを大量生産することは非現実的であると言わざるを得ないが、本発明では、例えば光ピンセットなどを用いることなく安価に、短時間で電極間に一本のナノ構造体を配列することができることから、産業上の利用性を有し利便性は高い。また、1本のナノ構造体を有するナノデバイスはIV特性がユニークな電気抵抗特性を示し、メモリー素子、論理色素子、酸素センサ、酵素センサ、イムノセンサ、細胞センサなど多くのバイオセンサに適用することができる。さらに、光応答、エレクトロクロミズム、電気化学発光、電界発光、メモリー応答、センシング応答を観測することができる。 According to the present invention, only one nanostructure can be easily arranged between the electrodes. Therefore, an inefficient process having a transcendence technique such as operating a single nanowire with a micromanipulator as in the prior art becomes unnecessary. That is, when using optical tweezers or the like, the apparatus becomes expensive and takes time to manufacture, and it is impractical to mass-produce the same device, but in the present invention, For example, since a single nanostructure can be arranged between electrodes in a short time without using optical tweezers or the like, it has industrial applicability and high convenience. Nanodevices with a single nanostructure exhibit electrical resistance characteristics with unique IV characteristics and can be applied to many biosensors such as memory elements, logical color elements, oxygen sensors, enzyme sensors, immunosensors, and cell sensors. be able to. Furthermore, optical response, electrochromism, electrochemiluminescence, electroluminescence, memory response, and sensing response can be observed.
10:ナノ構造体配列チップ
11,21,31:第1の電極
11a:第1の電極の先端部
11b:第1の電極の端部
12,22,32:第2の電極
12a:第2の電極の先端部
12b:第2の電極の端部
13,14,23,33,34:基体(基板)
15,16,26,36:流路形成部
17,27,37:流路(マイクロ流路)
18,28,38:第1の外部接続電極
18a:第1の外部接続電極の外側端部
19,29,39:第2の外部接続電極
19a:第2の外部電極の外側端部
20,30:ナノデバイス
25,35:ナノ構造体(ナノワイヤ)
31a,32a,41a,42a:密着層
31b,32b,41b,42b:電極層
40 ナノデバイス作製用基板
41,42:コンタクト用電極
43:第3の電極
43a:第3の電極の外側端部
46:第1の保護層
47:第2の保護層
48:第3の保護層
10: Nanostructure array chip 11, 21, 31: First electrode 11a: Tip portion of first electrode 11b: End portion of first electrode 12, 22, 32: Second electrode 12a: Second electrode Electrode tip portion 12b: second electrode end portion 13, 14, 23, 33, 34: substrate (substrate)
15, 16, 26, 36: flow path forming part 17, 27, 37: flow path (micro flow path)
18, 28, 38: first external connection electrode 18a: outer end portion of the first external connection electrode 19, 29, 39: second external connection electrode 19a: outer end portion of the second external electrode 20, 30 : Nanodevice 25, 35: Nanostructure (nanowire)
31a, 32a, 41a, 42a: Adhesion layer 31b, 32b, 41b, 42b: Electrode layer 40 Nanodevice fabrication substrate 41, 42: Contact electrode 43: Third electrode 43a: Outer end of third electrode 46 : First protective layer 47: second protective layer 48: third protective layer
Claims (7)
上記基体上に上記第1の電極と上記第2の電極との配列方向に沿って流路を設けるステップと、
上記第1の電極と上記第2の電極との間に交番電圧を印加しながら複数のナノ構造体が混入した分散体を上記流路に流し、上記ナノ構造体を誘導泳動により上記第1の電極と上記第2の電極との間に捕捉し、上記第1の電極と上記第2の電極とを跨ぐようにナノ構造体を配列するステップと、
を含む、ナノデバイスの作製方法。 Forming a first electrode and a second electrode on a substrate at an interval;
Providing a flow path along the arrangement direction of the first electrode and the second electrode on the substrate;
While applying an alternating voltage between the first electrode and the second electrode, a dispersion in which a plurality of nanostructures are mixed is caused to flow through the flow path, and the nanostructures are induced to the first by electrophoretic migration. Capturing between the electrode and the second electrode, and arranging the nanostructure so as to straddle the first electrode and the second electrode;
A method for manufacturing a nanodevice, comprising:
前記ナノ構造体の一方の端部及び前記第1の電極上に第1の導通用電極を形成し、かつ前記ナノ構造体の他方の端部及び前記第2の電極上に第2の導通用電極を形成するステップと、
を含む、請求項3に記載のナノデバイスの作製方法。 Furthermore, removing the flow path forming part that defines the flow path;
A first conductive electrode is formed on one end of the nanostructure and the first electrode, and a second conductive is formed on the other end of the nanostructure and the second electrode. Forming an electrode;
The manufacturing method of the nanodevice of Claim 3 containing this.
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CN103708411A (en) * | 2012-10-01 | 2014-04-09 | 黄辉 | Nanowire arranging and positioning method based on ridge electrode structure |
CN112682638A (en) * | 2020-12-20 | 2021-04-20 | 北京科旭威尔科技股份有限公司 | Multi-camera multi-target linkage intelligent shooting system |
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